Impactbestendige robots: innovatieve actuatoren getest op een hopper
Meerpotige robots, zoals robothonden en humanoïden, worden steeds vaker getest in uitdagende omgevingen die voor mensen moeilijk of gevaarlijk toegankelijk zijn, zoals afgebrande gebouwen of ruig terrein. Ondanks hun geavanceerde sensoren en besturing blijven ze kwetsbaar voor onverwachte schokken, die schade kunnen veroorzaken. Innovatieve actuatoren maken robots robuuster: ze kunnen tijdelijk impact opvangen zonder te breken, waardoor ze veerkrachtiger worden en minder voorzichtig hoeven te bewegen.
Heeft u ooit een gewricht uit de kom gehad, bijvoorbeeld een schouder, knie of heup? Stel je voor dat het gewricht tijdelijk uit de kom kan schieten en daarna zonder schade weer terugkeert. Met dat idee in het achterhoofd werden serieel gekoppelde actuatoren ontworpen. Deze actuatoren (“spieren” van robots) kunnen bij grote schokken tijdelijk ontkoppelen en daarna onbeschadigd blijven functioneren.
In dit onderzoek is een robot ontworpen en aangestuurd om de prestaties van deze serieel gekoppelde actuatoren te evalueren. Het doel is te onderzoeken of deze actuatoren een veelbelovende oplossing bieden voor gebruik in benen van humanoïden, door zowel de impactresistentie te verbeteren als krachtiger te zijn dan conventionele systemen. De maximale spronghoogte van de robot wordt gebruikt als maat voor de kracht van het systeem.
Licht, sterk en veerkrachtig: het ontwerp van de robot
Om de complexiteit te beperken, werd gekozen voor een hopper, een eenpotige robot bestaande uit een heupgewricht, kniegewricht, boven- en onderbeen.
Bij het ontwerp stonden drie criteria centraal. Ten eerste moest de constructie zo licht mogelijk zijn om de neerwaartse zwaartekracht tijdens sprongen te beperken. Ten tweede werd de massa zoveel mogelijk geconcentreerd rond de knie- en heupactuatoren, zodat het hefboomeffect geminimaliseerd werd. Ten derde moest de robot sterk genoeg zijn om breuk tijdens de experimenten te voorkomen.
Deze criteria leidden tot een aluminium robotbeen, waarbij beide motoren op dezelfde as aan de heup zijn geplaatst. Een verbindingsstaaf brengt de beweging van de knie-actuator over naar het kniegewricht.
Om de beweging in één vlak stabiel te houden, is de heup gemonteerd op twee rails, zoals te zien is in onderstaande figuur.
Vliegen, landen, opstijgen: de controle van een sprong
De hopper wordt aangestuurd met een besturingssysteem dat uit drie fasen bestaat, waarbij elke fase gebruikmaakt van een andere regeltechniek. Deze aanpak is gekozen omdat de krachten die op de robot inwerken sterk verschillen, afhankelijk van of hij zich in de lucht bevindt of op de grond staat.
De eerste fase is de vliegfase, waarin het been zo wordt aangestuurd dat het in de ideale positie voor de landing komt. De tweede fase is de landingsfase, waarin de benodigde beenkracht wordt berekend om de impact op te vangen: zacht genoeg om schade te voorkomen, maar stevig genoeg zodat de heup de grond niet raakt. De derde en laatste fase is de opstijgfase. In deze fase maakt het besturingssysteem gebruik van zogeheten energy shaping: daarbij wordt de hoeveelheid energie berekend die nodig is om een bepaalde spronghoogte te bereiken, en omgezet in de juiste actuatorkracht.
Simulatie ontmoet werkelijkheid
De hopper en het besturingssysteem werden vervolgens gecombineerd om de centrale onderzoeksvraag te beantwoorden: leiden de serieel gekoppelde actuatoren tot een verbetering van impactresistentie en springkracht vergeleken met conventionele actuatoren?
De eerste simulatie richtte zich op impactresistentie. Aan de hand van de kracht die nodig is om de heup een vooraf bepaald traject te laten volgen, werd de maximale impactbestendigheid berekend. De resultaten suggereren betere prestaties dan de huidige technologie, wat werd bevestigd door experimenten met de fysieke hopper.
Een tweede simulatie, geïllustreerd in onderstaande GIF, onderzocht de maximale spronghoogte en toonde aan dat deze sterk wordt beïnvloed door wrijving. Experimenten werden gebruikt om de wrijving nauwkeurig te bepalen en deze gegevens in de simulatie te verwerken. De resultaten lieten gemiddelde prestaties zien, wat aanwijzingen geeft voor mogelijke ontwerpverbeteringen.
Daarnaast hielpen de simulaties bij het optimaliseren van belangrijke regelparameters, zoals landingspositie, starthoek van het been en voetpositie. De uitkomsten zijn intuïtief: een gehurkte start met de voet onder het zwaartepunt en een licht gebogen landing leveren de beste sprongen op.
Robuust, veerkrachtig en klaar voor de toekomst
Experimenteel werd aangetoond dat serieel gekoppelde actuatoren de impactresistentie duidelijk verbeteren ten opzichte van conventionele actuatoren. Dit werk opent een veelbelovende weg naar robuustere en veerkrachtigere humanoïde robots. En wie weet: misschien wordt u ooit tijdens een bergtocht gered door een robot die gebruikmaakt van precies deze technologie.
Bibliografie
[1] Maximilian Albracht et al. “Model Predictive Parkour Control of a Monoped Hopper in Dynamically
Changing Environments”. In: IEEE Robotics and Automation Letters 9.10 (Oct. 2024),
pp. 8507–8514. issn: 2377-3766, 2377-3774. doi: 10 . 1109 / LRA . 2024 . 3445668. url: https :
//ieeexplore.ieee.org/document/10638672/ (visited on 10/11/2024).
[2] Raghav Soni et al. “End-to-End Reinforcement Learning for Torque Based Variable Height Hopping”.
In: 2023 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS).
2023 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Detroit, MI,
USA: IEEE, Oct. 1, 2023, pp. 7531–7538. isbn: 978-1-6654-9190-7. doi: 10.1109/IROS55552.2023.
10342187. url: https://ieeexplore.ieee.org/document/10342187/ (visited on 10/01/2024).
[3] Jinzhu Zhang et al. “Research on Bionic Jumping and Soft Landing of Single Leg System in
Quadruped Robot”. In: Journal of Bionic Engineering 20.5 (Sept. 2023), pp. 2088–2107. issn:
1672-6529, 2543-2141. doi: 10.1007/s42235-023-00360-y. url: https://link.springer.com/
10.1007/s42235-023-00360-y (visited on 10/01/2024).
[4] Yanran Ding and Hae-Won Park. “Design and Experimental Implementation of a Quasi-Direct-
Drive Leg for Optimized Jumping”. In: 2017 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent
Robots and Systems (IROS). 2017 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and
Systems (IROS). Vancouver, BC: IEEE, Sept. 2017, pp. 300–305. isbn: 978-1-5386-2682-5. doi:
10.1109/IROS.2017.8202172. url: http://ieeexplore.ieee.org/document/8202172/ (visited
on 10/01/2024).
[5] Jemin Hwangbo et al. “Cable-Driven Actuation for Highly Dynamic Robotic Systems”. In: 2018
IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). 2018 IEEE/RSJ
International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Madrid: IEEE, Oct. 2018,
pp. 8543–8550. isbn: 978-1-5386-8094-0. doi: 10 . 1109 / IROS . 2018 . 8593569. url: https : / /
ieeexplore.ieee.org/document/8593569/ (visited on 10/01/2024).
[6] Sangok Seok et al. “Actuator Design for High Force Proprioceptive Control in Fast Legged Locomotion”.
In: 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2012
IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2012). Vilamoura-
Algarve, Portugal: IEEE, Oct. 2012, pp. 1970–1975. isbn: 978-1-4673-1736-8 978-1-4673-1737-5
978-1-4673-1735-1. doi: 10.1109/IROS.2012.6386252. url: http://ieeexplore.ieee.org/
document/6386252/ (visited on 10/04/2024).
[7] Akash Singh, Navvab Kashiri, and Nikolaos Tsagarakis. “Design of a Quasi-Direct-Drive Actuator
for Dynamic Motions”. In: The 1st International Electronic Conference on Actuator Technology:
Materials, Devices and Applications. The 1st International Electronic Conference on Actuator
Technology: Materials, Devices and Applications. MDPI, Nov. 21, 2020, p. 11. doi: 10.3390/
IeCAT2020-08516. url: https://www.mdpi.com/2504-3900/64/1/11 (visited on 10/01/2024).
[8] Frederik Ostyn. “Impact-Resilient High Performance Robot Actuators via Lightweight Overload
Clutch Design with Wedged Rollers”. In: 2024 IEEE-RAS 23rd International Conference on Humanoid
Robots (Humanoids). 2024 IEEE-RAS 23rd International Conference on Humanoid Robots
(Humanoids). Nancy, France: IEEE, Nov. 22, 2024, pp. 32–36. isbn: 979-8-3503-7357-8. doi: 10.
1109 / Humanoids58906 . 2024 . 10769823. url: https : / / ieeexplore . ieee . org / document /
10769823/ (visited on 12/13/2024).
[9] Joao Ramos et al. “Facilitating Model-Based Control Through Software-Hardware Co-Design”. In:
2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). 2018 IEEE International
Conference on Robotics and Automation (ICRA). Brisbane, QLD: IEEE, May 2018, pp. 566–
572. isbn: 978-1-5386-3081-5. doi: 10.1109/ICRA.2018.8460575. url: https://ieeexplore.
ieee.org/document/8460575/ (visited on 10/02/2024).
[10] Gerardo Bledt et al. “MIT Cheetah 3: Design and Control of a Robust, Dynamic Quadruped
Robot”. In: 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS).
2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Madrid:
IEEE, Oct. 2018, pp. 2245–2252. isbn: 978-1-5386-8094-0. doi: 10.1109/IROS.2018.8593885.
url: https://ieeexplore.ieee.org/document/8593885/ (visited on 10/25/2024).
[11] Youngwoo Sim and Joao Ramos. “Tello Leg: The Study of Design Principles and Metrics for
Dynamic Humanoid Robots”. In: IEEE Robotics and Automation Letters 7.4 (Oct. 2022), pp. 9318–
9325. issn: 2377-3766, 2377-3774. doi: 10.1109/LRA.2022.3188122. url: https://ieeexplore.
ieee.org/document/9813569/ (visited on 11/16/2024).
[12] Jun He and Feng Gao. “Mechanism, Actuation, Perception, and Control of Highly Dynamic Multilegged
Robots: A Review”. In: Chinese Journal of Mechanical Engineering 33.1 (Dec. 2020),
p. 79. issn: 1000-9345, 2192-8258. doi: 10.1186/s10033-020- 00485-9. url: https://cjme.
springeropen.com/articles/10.1186/s10033-020-00485-9 (visited on 11/11/2024).
[13] Ryuki Sato et al. “Development of Robot Legs Inspired by Bi-Articular Muscle-Tendon Complex
of Cats”. In: 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS).
2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Hamburg,
Germany: IEEE, Sept. 2015, pp. 1552–1557. isbn: 978-1-4799-9994-1. doi: 10.1109/IROS.2015.
7353574. url: http://ieeexplore.ieee.org/document/7353574/ (visited on 10/02/2024).
[14] Felix Grimminger et al. “An Open Torque-Controlled Modular Robot Architecture for Legged
Locomotion Research”. In: IEEE Robotics and Automation Letters 5.2 (Apr. 2020), pp. 3650–
3657. issn: 2377-3766, 2377-3774. doi: 10.1109/LRA.2020.2976639. url: https://ieeexplore.
ieee.org/document/9015985/ (visited on 10/01/2024).
[15] Meng Yee Chuah and Sangbae Kim. “Enabling Force Sensing During Ground Locomotion: A Bio-
Inspired, Multi-Axis, Composite Force Sensor Using Discrete Pressure Mapping”. In: IEEE Sensors
Journal 14.5 (May 2014), pp. 1693–1703. issn: 1530-437X, 1558-1748. doi: 10.1109/JSEN.2014.
2299805. url: http://ieeexplore.ieee.org/document/6714415/ (visited on 11/16/2024).
[16] “RABBIT: A Testbed for Advanced Control Theory”. In: IEEE Control Systems 23.5 (Oct. 2003),
pp. 57–79. issn: 1066-033X, 1941-000X. doi: 10 . 1109 / MCS . 2003 . 1234651. url: https : / /
ieeexplore.ieee.org/document/1234651/ (visited on 11/17/2024).
[17] Sangok Seok et al. “Design Principles for Energy-Efficient Legged Locomotion and Implementation
on the MIT Cheetah Robot”. In: IEEE/ASME Transactions on Mechatronics 20.3 (June 2015),
pp. 1117–1129. issn: 1083-4435, 1941-014X. doi: 10.1109/TMECH.2014.2339013. url: https:
//ieeexplore.ieee.org/document/6880316/ (visited on 11/05/2024).
[18] Frank Peuker, Andre Seyfarth, and Sten Grimmer. “Inheritance of SLIP Running Stability to a
Single-Legged and Bipedal Model with Leg Mass and Damping”. In: 2012 4th IEEE RAS & EMBS
International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob). 2012 4th IEEE
RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob
2012). Rome, Italy: IEEE, June 2012, pp. 395–400. isbn: 978-1-4577-1200-5 978-1-4577-1199-2
978-1-4577-1198-5. doi: 10.1109/BioRob.2012.6290742. url: http://ieeexplore.ieee.org/
document/6290742/ (visited on 10/11/2024).
[19] Amin Khakpour Komarsofla, Ehsan Azadi Yazdi, and Mohammad Eghtesad. “Dynamic Modeling
and Control of a Novel One-Legged Hopping Robot”. In: Robotica 39.9 (Sept. 2021), pp. 1692–1710.
issn: 0263-5747, 1469-8668. doi: 10.1017/S0263574720001447. url: https://www.cambridge.
org / core / product / identifier / S0263574720001447 / type / journal _ article (visited on
10/25/2024).
